基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统设计
孙梅
摘要码垛技术作为现代物流自动化领域中的一门新技术，其随着我国科学技术的高速发展，也实现了技术的更新与升级。码垛机器人的运用为企业节约了大量的人力，降低了企业运营成本，提高了企业服务的效率，具有十分重要的社会意义。本文就主要分析了基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统的设计，根据码垛机器人的工作流程和企业的实际需求，设计出人机交互的操作界面，以提高码垛机器人控制系统的稳定性和可靠性，更好的满足企业生产实际的需求。
关键词码垛机器人PLC控制系统设计
0引言
码垛机器人属于新兴的科技产品，可以有效的降低企业运营成本、提高生产效率、提高产品质量、提高服务质量、优化劳动力等，其在企业生产中的广泛应用，为企业的可持续发展提供了坚实的基础。工业码垛机器人的广泛运用标志着企业的自动化水平已经十分先进，是企业的重要竞争力体现。而控制系统作为码垛机器人的核心，是实现码垛机器人功能以及工作各项性能的前提和保障，并且在很大程度上决定着码垛机器人的工作效率以及工作精度，因为控制系统对码垛机器人来说相当于它的大脑，支配着码垛机器人的各项功能和性能。本文主要对码垛机器人的控制系统设计进行了分析，以为相关人士提供借鉴。
1码垛机器人简述
在以往对码垛机器人的研究和经验分析的基础上，本文认为一款优秀的码垛机器人应具有性能稳定、功能齐全、结构简单、操作简单、成本低廉、灵活等特点，所以码垛机器人的具体设计指标有以下几个方面：
1.1性能参数
码垛机器人的本身重量为1000 kg，最大抓取物的重量为60 kg，搬运速度为30 m/min，码垛的速度为20 次/min。
1.2工作范围
码垛机器人的垂直作业高度2.5 m，作业半径2.6 m。
1.3误差要求
连续作业的时间不低于24 h，连续作业的时间超过8 h的误差范围不得大于5 mm。
2码垛机器人控制系统硬件设计
根据码垛机器人的工作要求和整体设计指标，码垛机器人的控制系统应该满足以下几个要求：一是四轴能够自由的进行协调和控制，能够实现稳定、高效作业；二是对控制参数以示数的方式表现出来，以实现路径控制；三是具有良好的动态响应力和实时能力；四是稳定性、可靠性、安全性高；五是人机界面设计良好，方便各项操作；六是硬件系统结构具有紧凑性和可扩展性＼[1＼]。
本文研究的码垛机器人以横河FA-M3 PLC作为其控制系统核心。横河FA-M3 PLC具有性能好、扩展能力强、功能全面、处理效率高等特点，其能够实现示教、外围I/O量处理、伺服电机驱动等功能。码垛机器人的控制系统采用模块化设计，根据作业需求不同采用不同的功能模块，其主要模块有电源模块、通信模块、CPU控制模块、数字化模块、位置定义模块等＼[2＼]。码垛机器人的模块与模块之间有着紧密的联系，如位置定义模块主要是根据CPU模块发出的信号脉冲来定义并生成位置和码垛机器人的运动轨迹，根据脉冲串的数量来确定电机旋转的角度和旋转的速度。
值得一提的是码垛机器人的位置是整个作业中的重点，一旦位置定义有误差，则无法保证码垛机器人的工作效率和工作质量。本文研究的码垛机器人位置定义模块中具有32点位固定输入以及输出继电器，将常用的位置控制参数固定在继电器中，方便人员对其进行相关操作和位置的确定。位置定义模块有以下几个特点：一是高精度和高速的定位控制；二是位置功能丰富；三是具有脉冲计数器；四是可以通过位置模块的参数设定实现动作的测试和监测＼[3＼]。
3码垛机器人软件系统设计
码垛机器人软件系统的设计是尤为关键的一环，软件系统和硬件系统相互配合才能实现码垛机器人的各项功能，而软件系统又是实现硬件系统功能的前提和基础，所以软件系统对码垛机器人的功能实现、功能扩展、作业效果等都有重要的作用。根据码垛机器人的作业特点，分析出码垛机器人的软件控制系统的架构。
在码垛机器人的软件结构中，人机交互界面的设计和代码编写可采用触摸屏自带编写软件，该软件的设计特点是简单易懂、操作简便，适合于工业环境的码垛机器人设计，设计成本低，性能稳定可靠。设计的主要模块有初始化模块、监控模块、示教模块、文件处理模块、参数设置模块、位置控制模块、轨迹规划模块、速度控制模块、手动控制模块、原点搜索模块等＼[4＼]。
初始化模块的功能是负责码垛机器人整个控制系统的启动，将所有程序初始化，并检测各个模块是否正常，是否能够进行正常的作业，如果有的模块无法正常工作，会给予相应的警示并对问题故障模块进行显示＼[5＼]。
监控模块的功能是监测码垛机器人的工作情况，并显示出当前码垛机器人的工作状态。
示教模块的功能是生成码垛机器人位置参数，形成指示的文件以供操作人员参考。
文件处理模块的功能是管理关于码垛机器人的所有文件，如文件的查看、调用、修改、增加、删除等。
参数设置模块的功能是人员通过该模块实现码垛机器人的参数控制，人员还可以通过该模块实现可调参数的设置和I/O系统的管理与设置。
（1）位置控制模块的主要功能是帮助码垛机器人准确的定位；
（2）轨迹规划模块的功能是完成机器人的各种轨迹规划；
（3）速度控制模块的功能是对机器人的作业速度进行控制。
4结束语
随着科学技术的进步，码垛机器人的应用也越来越广泛，将为企业带来巨大的经济效益。本文主要分析码垛机器人的控制系统设计，研究了码垛机器人的软件和硬件系统的设计，以期在未来能够设计出性能更高、安全性与稳定性更好的码垛机器人。
参考文献：
＼[1＼]王靖，李斌，马书根，等.模块化可变形机器人控制系统设计与变形方法研究＼[J＼].机器人，2011，28（5）：457-462.
＼[2＼]王才东，王新杰，王辉，等.六自由度机器人控制系统设计与研究＼[J＼].计算机仿真，2013，30（9）：349-353.
＼[3＼]姚兴田，马永林，徐丹，等.基于单片机的楼道清洁机器人控制系统设计＼[J＼].制造业自动化，2014，（4）：63-65，79.
＼[4＼]李江昊，陈佳品，李振波，等.毫米级微装配机器人控制系统设计＼[J＼].仪器仪表学报，2009，30（5）：980-983.
＼[5＼]赵颖，孙群，张铁中，等.营养钵茄苗嫁接机器人控制系统设计＼[J＼].农业机械学报，2011，38（12）：225-228.
摘要码垛技术作为现代物流自动化领域中的一门新技术，其随着我国科学技术的高速发展，也实现了技术的更新与升级。码垛机器人的运用为企业节约了大量的人力，降低了企业运营成本，提高了企业服务的效率，具有十分重要的社会意义。本文就主要分析了基于PLC的新型工业码垛机器人控制系统的设计，根据码垛机器人的工作流程和企业的实际需求，设计出人机交互的操作界面，以提高码垛机器人控制系统的稳定性和可靠性，更好的满足企业生产实际的需求。
关键词码垛机器人PLC控制系统设计
0引言
码垛机器人属于新兴的科技产品，可以有效的降低企业运营成本、提高生产效率、提高产品质量、提高服务质量、优化劳动力等，其在企业生产中的广泛应用，为企业的可持续发展提供了坚实的基础。工业码垛机器人的广泛运用标志着企业的自动化水平已经十分先进，是企业的重要竞争力体现。而控制系统作为码垛机器人的核心，是实现码垛机器人功能以及工作各项性能的前提和保障，并且在很大程度上决定着码垛机器人的工作效率以及工作精度，因为控制系统对码垛机器人来说相当于它的大脑，支配着码垛机器人的各项功能和性能。本文主要对码垛机器人的控制系统设计进行了分析，以为相关人士提供借鉴。
1码垛机器人简述
在以往对码垛机器人的研究和经验分析的基础上，本文认为一款优秀的码垛机器人应具有性能稳定、功能齐全、结构简单、操作简单、成本低廉、灵活等特点，所以码垛机器人的具体设计指标有以下几个方面：
1.1性能参数
码垛机器人的本身重量为1000 kg，最大抓取物的重量为60 kg，搬运速度为30 m/min，码垛的速度为20 次/min。
1.2工作范围
码垛机器人的垂直作业高度2.5 m，作业半径2.6 m。
1.3误差要求
连续作业的时间不低于24 h，连续作业的时间超过8 h的误差范围不得大于5 mm。
2码垛机器人控制系统硬件设计
根据码垛机器人的工作要求和整体设计指标，码垛机器人的控制系统应该满足以下几个要求：一是四轴能够自由的进行协调和控制，能够实现稳定、高效作业；二是对控制参数以示数的方式表现出来，以实现路径控制；三是具有良好的动态响应力和实时能力；四是稳定性、可靠性、安全性高；五是人机界面设计良好，方便各项操作；六是硬件系统结构具有紧凑性和可扩展性＼[1＼]。
本文研究的码垛机器人以横河FA-M3 PLC作为其控制系统核心。横河FA-M3 PLC具有性能好、扩展能力强、功能全面、处理效率高等特点，其能够实现示教、外围I/O量处理、伺服电机驱动等功能。码垛机器人的控制系统采用模块化设计，根据作业需求不同采用不同的功能模块，其主要模块有电源模块、通信模块、CPU控制模块、数字化模块、位置定义模块等＼[2＼]。码垛机器人的模块与模块之间有着紧密的联系，如位置定义模块主要是根据CPU模块发出的信号脉冲来定义并生成位置和码垛机器人的运动轨迹，根据脉冲串的数量来确定电机旋转的角度和旋转的速度。
值得一提的是码垛机器人的位置是整个作业中的重点，一旦位置定义有误差，则无法保证码垛机器人的工作效率和工作质量。本文研究的码垛机器人位置定义模块中具有32点位固定输入以及输出继电器，将常用的位置控制参数固定在继电器中，方便人员对其进行相关操作和位置的确定。位置定义模块有以下几个特点：一是高精度和高速的定位控制；二是位置功能丰富；三是具有脉冲计数器；四是可以通过位置模块的参数设定实现动作的测试和监测＼[3＼]。
3码垛机器人软件系统设计
码垛机器人软件系统的设计是尤为关键的一环，软件系统和硬件系统相互配合才能实现码垛机器人的各项功能，而软件系统又是实现硬件系统功能的前提和基础，所以软件系统对码垛机器人的功能实现、功能扩展、作业效果等都有重要的作用。根据码垛机器人的作业特点，分析出码垛机器人的软件控制系统的架构。
在码垛机器人的软件结构中，人机交互界面的设计和代码编写可采用触摸屏自带编写软件，该软件的设计特点是简单易懂、操作简便，适合于工业环境的码垛机器人设计，设计成本低，性能稳定可靠。设计的主要模块有初始化模块、监控模块、示教模块、文件处理模块、参数设置模块、位置控制模块、轨迹规划模块、速度控制模块、手动控制模块、原点搜索模块等＼[4＼]。
初始化模块的功能是负责码垛机器人整个控制系统的启动，将所有程序初始化，并检测各个模块是否正常，是否能够进行正常的作业，如果有的模块无法正常工作，会给予相应的警示并对问题故障模块进行显示＼[5＼]。
监控模块的功能是监测码垛机器人的工作情况，并显示出当前码垛机器人的工作状态。
示教模块的功能是生成码垛机器人位置参数，形成指示的文件以供操作人员参考。
文件处理模块的功能是管理关于码垛机器人的所有文件，如文件的查看、调用、修改、增加、删除等。
参数设置模块的功能是人员通过该模块实现码垛机器人的参数控制，人员还可以通过该模块实现可调参数的设置和I/O系统的管理与设置。
（1）位置控制模块的主要功能是帮助码垛机器人准确的定位；
（2）轨迹规划模块的功能是完成机器人的各种轨迹规划；
（3）速度控制模块的功能是对机器人的作业速度进行控制。
4结束语
随着科学技术的进步，码垛机器人的应用也越来越广泛，将为企业带来巨大的经济效益。本文主要分析码垛机器人的控制系统设计，研究了码垛机器人的软件和硬件系统的设计，以期在未来能够设计出性能更高、安全性与稳定性更好的码垛机器人。
参考文献：
＼[1＼]王靖，李斌，马书根，等.模块化可变形机器人控制系统设计与变形方法研究＼[J＼].机器人，2011，28（5）：457-462.
＼[2＼]王才东，王新杰，王辉，等.六自由度机器人控制系统设计与研究＼[J＼].计算机仿真，2013，30（9）：349-353.
＼[3＼]姚兴田，马永林，徐丹，等.基于单片机的楼道清洁机器人控制系统设计＼[J＼].制造业自动化，2014，（4）：63-65，79.
＼[4＼]李江昊，陈佳品，李振波，等.毫米级微装配机器人控制系统设计＼[J＼].仪器仪表学报，2009，30（5）：980-983.
＼[5＼]赵颖，孙群，张铁中，等.营养钵茄苗嫁接机器人控制系统设计＼[J＼].农业机械学报，2011，38（12）：225-228.
